МАТЕРИАЛЫ ТВЁРДОТЕЛЬНОЙ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

7.ЛАЗЕРЫ

7.1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЛАЗЕРАХ

Лазеры были изобретены в 1960 г. Басовым и Прохоровым (СССР) и Таунсом (США). Принципиальная схема лазера включает в себя активную среду (1), усиливающую (генерирующую) излучение, резонатор (2, 2'), состоящий из двух зеркал, одно из которых полупрозрачное (2')и устройство накачки (3) энергии в активную среду (рис. 41).

Активная среда может быть газообразной, жидкой, твёрдотельной либо представлять собой плазму, релятивистский электронный поток. Главное, чтобы активная среда обладала инверсной населённостью излучателей, т.е. большинство излучателей должно находиться в возбуждённом состоянии [1].

Согласно распределению Больцмана число излучателей, находящихся в возбуждённом состоянии N2 в инвертированной среде, равно:

а в основном (невозбуждённом) состоянии

где N = N1 + N2 – общее число излучателей, E1 < E2 – энергия излучателей. При N2 > N1

если эффективная температура среды T* < 0.

Инверсная населённость активной среды (т.е. её отрицательная эффективная температура) создаётся в результате накачки энергии в среду от внешнего источника. Например, накачку осуществляют при пропускании электрического тока через активную среду, с помощью вспышки мощной лампы, в результате химических реакций, с помощью ускорения электронного потока и т.п.

Первичный световой (или микроволновой, рентгеновский) поток генерируется излучателями в активной среде в результате спонтанного излучения. Фотоны, распространяющиеся вдоль оси резонатора, отражаются от зеркал и многократно проходят через активную среду. При этом они стимулируют излучение возбуждённых излучателей. Излу-

61

ченные в результате индуцированных процессов фотоны имеют точно такую же частоту (энергию), а волновой вектор (импульс) и поляризацию, как и первичные фотоны. Световой поток частично выводится через полупрозрачное зеркало. Лазерное излучение обладает высокой степенью когерентности, так как частота излучателей одинакова, а разность фаз остаётся постоянной во времени. Последнее объясняется тем, что в резонаторе формируется стоячая волна, возникающая при интерференции прямой и обратной волн. Таким образом, резонатор осуществляет обратную связь излучателей. Фотоны, излучаемые под большими углами к оси резонатора, покидают активную среду. Эта часть излучения активной среды некогерентна. При отражении от зеркал излучение частично ослабляется, кроме этого имеются потери в результате рассеяния в среде и дифракции. Для работы лазера в режиме когерентной генерации необходимо, чтобы усиление излучения за один проход превосходило потери, включая лазерное излучение [2].

Угол расходимости лазерного излучения минимальный, он обусловлен дифракцией, главным образом, на зеркалах, а также в активной среде. Цикл работы лазера включает два последовательных отражения от зеркал с эффективными коэффициентами отражения ρ1 и ρ2, учитывающими все потери. Ослабление потока пропорционально ρ1ρ2 на пути 2L за один цикл. Согласно закону Бугера-Ламберта интенсивность светового потока, прошедшего слой L в среде, равна:

I = I0eαL .

Усиление светового потока за один цикл равно

I = I0ρ1ρ2e2αL = I0 exp[2αL − ln(ρ1ρ2 )].

Рис. 41. Принципиальная схема лазера

62

Генерация лазерного излучения возникает при 2αL > ln(ρ1ρ2 ) , т.е.

порог генерации α0 = ln(ρ1ρ2 ) .

2L

Добротность лазера

Q = W ,

δW

где W = wSL – запасённая в резонаторе энергия; δW – потери энергии

потери энергии за цикл, w – плотность энергии прямого и обратного

т.е. для генерации лазера необходимо, чтобы усиление на пути, равном

λ , было больше величины обратной добротности. Добротность лазера

2

тем выше, чем меньше потери. Порог генерации обратно пропорцио-

63

нален добротности. Поэтому для параксиальных лучей порог генерации достигается раньше, чем для непараксиальных, и мощность излучения лазера приходится, в основном, на параллельные параксиальные лучи.

При отражении от поверхности предмета узкого лазерного пучка и наблюдении отражённого пучка чрез микрообъектив (проектирование на экран) видны характерные пятна – лазерные спеклы [3]. Их возникновение обусловлено интерференцией волн, отражённых от различных точек поверхности, так как лазерное излучение имеет очень высокую степень когерентности, а разность фаз волн, отражённых от случайных неоднородностей на поверхности, остаётся постоянной во времени. Если поверхность отполирована с оптической точностью до долей длины волны лазерного излучения, то происходит зеркальное отражение пучка и спеклы не возникают. Не наблюдаются спеклы и при диффузном отражении от поверхности жидкости, когда её неровности с течением времени сменяются.

Спеклы возникают не только при диффузном отражении, но и при прохождении лазерного излучения через среду.

7.2.ТИПЫ ЛАЗЕРОВ

Внастоящее время разработано огромное число типов лазеров, отличающихся между собой активной средой, типом накачки, мощностью, режимом работы и т.д.

Рубиновый лазер. Рубиновый лазер был первым оптическим квантовым генератором света (1960 г.). Рабочим веществом является

рубин – кристалл оксида алюминия Al2O3 (корунд), в который при выращивании введена примесь – оксид хрома Cr2O3. Красный цвет кристалла рубина обусловлен излучением иона хрома Cr3+, который в кристаллической решётке замещает ион Al3+. Густота красного цвета рубина зависит от концентрации ионов Cr3+, в темно-красном рубине концентрация Cr3+ достигает 1 % [4].

Кристалл рубина имеет две полосы поглощения: в зелёной и в голубой частях спектра. Помимо этих полос имеются два узких энергетических уровня E1 и E'1, при переходе с которых на основной уровень

атом излучает свет с длинами волн λ = 694,3 нм и λ′ = 692,8 нм. Ширина этих линий 0,4 нм, вероятность вынужденных переходов для линии 694,3 нм больше, чем 692,8 нм (так как эта вероятность обратно пропорциональна частоте в кубе v–3 ).

При облучении рубина белым светом голубая и зелёные части спектра поглощаются, а красная отражается. В рубиновом лазере используется оптическая накачка ксеноновой лампой, которая даёт вспышки света большой интенсивности при прохождении через неё импульса тока. Газ ксенон при этом разогревается до нескольких ты-

64

сяч градусов. Непрерывная накачка невозможна, так как лампа не выдерживает длительного нагрева. Излучение лампы накачки поглощается ионами Cr3+ в области полос поглощения. Затем с этих уровней ионы Cr3+ очень быстро в результате безизлучательного перехода переходят на энергетические уровни E1 и E′1. Излишек энергии передаётся кристаллической решётке в энергию её колебаний (энергию фононов). Уровни E1 и E′1 – метастабильны (время жизни атома на уровне E1 равно 4,3 мс). Таким образом создаётся значительная инверсная населённость активной среды относительно уровня E0.

Кристалл рубина выращивают в виде круглого цилиндра длиной L ≈ 5 см и диаметром d ≈ 1 см. Ксеноновая лампа, имеющая форму цилиндра, и кристалл рубина помещаются в зеркальную полость с эллиптическим сечением в фокусы эллипса.

Благодаря этому обеспечивается практически полная фокусировка излучения накачки. Один из торцов кристалла рубина срезают так, чтобы обеспечить полное внутреннее отражение в рубине, а другой торец – под углом Брюстера. Такой срез обеспечивает выход из кристалла излучения с соответствующей линейной поляризацией. Далее по ходу луча располагают полупрозрачное зеркало.

Рис. 42. Схема действия рубинового лазера

Рис. 43. Кристалл рубинового лазера и ход лучей в нём

65

Гелий-неоновый лазер. В гелий-неоновом He-Ne лазере активной средой является газообразная смесь гелия и неона. Генерация осуществляется при переходах между энергетическими уровнями Ne, а He играет роль посредника, через который энергия накачки передаётся атомам Ne.

Атом Ne может генерировать в результате более 130 различных энергетических переходов [5]. Однако наиболее интенсивными являются линии излучения 632,8 нм, 1,15 мкм и 3,39 мкм. При пропускании тока через смесь He-Ne атомы гелия в результате электронных ударов возбуждаются до состояний (23S и 22S), которые являются метастабильными, так как переход с них в основное состояние запрещён квантово-механическими правилами отбора. Когда возбуждённый атом гелия сталкивается с невозбуждённым атомом неона, то энергия переходит от He к Ne. Этот переход происходит весьма эффективно, так как уровни 3s и 2s атома Ne совпадают с соответствующими энергетическими уровнями атома He. Вследствие этого на уровнях 3s и 2s неона образуется инверсная населённость относительно уровней 3p и 2p.

He-Ne лазер работает в непрерывном режиме. На торцы лазерной трубки наклеены многослойные зеркала под углами Брюстера к оси. Это обеспечивает линейную поляризацию излучения. Давление He – 332 Па, Ne – 66 Па в трубке, постоянное напряжение на электродах в трубке 4 кВ, коэффициенты отражения зеркал 0,999 и 0,990.

Рис. 44. Схема гелий-неонового лазера

66

Полупроводниковые лазеры. При взаимодействии электрона с внешним возбуждением в полупроводниках электрон, поглощая энергию, переходит из состояния с низким энергетическим уровнем в состояние с высоким энергетическим уровнем. Рассмотрим p– n-переход.

Если к нему приложить прямое напряжение UR, то в p-области будет происходить инжекция электронов, а в n-области – дырок (в результате диффузии неосновных носителей зарядов). Эти неосновные носители, встречаясь с основными, будут рекомбинировать, излучая свет с длиной волны, соответствующей ширине запрещённой зоны [6].

Поскольку диффузионная длина электронов много больше, чем диффузионная длина дырок Lde >> Ldh, световое излучение возникает, в основном, в p-области. Прибор, использующий p– n-переход (равный ширине запрещённой зоны Eg), называют полупроводниковым лазером с гомоструктурным переходом. Полупроводниковый лазер является «пороговым прибором». Если увеличить ток инжекции (т.е. увеличивать UR – прямое напряжение), то при превышении некоторого порогового значения Iпор возникает резкое линейное увеличение мощности лазера на выходе.

Вблизи Iпор наблюдается качественное изменение процесса: медленный рост мощности излучения переходит скачком в режим насыщения при генерации излучения.

При I < Iпор излучение лазера представляет собой сумму фотонов со случайными фазами – некогерентное излучение.

В области I > Iпор при переходе в режим генерации происходит упорядочение фазы и возникает когерентное излучение.

Полупроводниковый лазер, так же как и лазеры других типов, представляет собой резонатор с помещённой внутрь его активной средой.

Рис. 45. Схема и принцип работы полупроводникового лазера

67

Так как коэффициент преломления полупроводникового материала большой, то плоскости спайности лазерного кристалла (кристаллографические плоскости роста) служат отражательными зеркалами резонатора.

Слабый свет, возникающий в лазере под действием спонтанных переходов, усиливается активной средой при многократном отражении от резонаторных зеркал, расположенных на торцах кристалла. В итоге образуется лавина вынужденно испущенных фотонов, которая и образует лазерный луч. Лазерная генерация возникает тогда, когда оптическое усиление компенсирует потери энергии внутри резонатора, складывающиеся из потерь в активной среде и потерь на отражение. Это соответствует пороговому току Iпор инжекции. При дальнейшем увеличении тока инжекции усиление равно пороговому усилению и сопровождается резким увеличением мощности оптического излучения лазера.

Иногда встречается путаница с терминами «лазерный диод», «диодный лазер» и «лазер с диодной накачкой». Первое определение относится непосредственно к самому излучателю, т.е. полупроводниковому устройству, испускающему относительно монохроматическое излучение. Термин «диодный лазер» подразумевает законченное устройство, состоящее из лазерного диода, устройства стабилизированного электропитания (при необходимости с возможностью модуляции выходного излучения по питанию), устройства контроля температуры, а также оптической системы, преобразующей «некачественное» излучение лазерного диода в относительно монохроматичное и коллимированное. Лазером же с диодной накачкой называется твёрдотельный лазер, в котором в качестве источника накачки рабочей среды (кристалл Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YVO4 и т.д) используется набор лазерных диодов инфракрасного диапазона.

Рис. 46. Полупроводниковый лазер в разрезе

68